Enostaven avtomatiziran EKG (1 ojačevalnik, 2 filtra): 7 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Elektrokardiogram (EKG) meri in prikazuje električno aktivnost srca z uporabo različnih elektrod, nameščenih na koži. EKG lahko ustvarite z instrumentacijskim ojačevalnikom, zareznim filtrom in nizkoprepustnim filtrom. Nazadnje lahko filtriran in ojačan signal vizualiziramo s programsko opremo LabView. LabView uporablja tudi vhodno frekvenco signala za izračun srčnega utripa človeka. Zgrajen instrumentacijski ojačevalnik je uspel sprejeti majhen signal telesa in ga ojačati na 1 V, zato ga je bilo mogoče gledati v računalniku z uporabo LabView. Zarezni in nizkoprepustni filtri so bili uspešni pri zmanjševanju hrupa 60 Hz iz napajalnikov in motečih signalov nad 350 Hz. Srčni utrip v mirovanju je bil 75 utripov na minuto, po petih minutah intenzivne vadbe pa 137 utripov na minuto. Vgrajen EKG je lahko izmeril srčni utrip pri realnih vrednostih in vizualiziral različne komponente tipične valovne oblike EKG. V prihodnosti bi lahko ta EKG izboljšali s spreminjanjem pasivnih vrednosti v zareznem filtru, da bi zmanjšali več hrupa okoli 60 Hz.

1. korak: Ustvarite instrumentacijski ojačevalnik

Potrebovali boste: LTSpice (ali drugo programsko opremo za vizualizacijo vezja)

Instrumentacijski ojačevalnik je bil ustvarjen za povečanje velikosti signala, tako da bo viden in omogoča analizo valovne oblike.

Z uporabo R1 = 3,3 k ohmov, R2 = 33 k ohmov, R3 = 1 k ohmov, R4 = 48 ohmov dosežemo ojačanje X. Dobiček = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3,3k)) = -1008

Ker v končnem operacijskem ojačevalniku signal prehaja v invertirni pin, je dobiček 1008. Ta zasnova je bila ustvarjena v LTSpice, nato pa simulirana z izmeničnim tokom od 1 do 1 kHz s 100 točkami na desetletje za sinusni vhod z amplitudo 1 V.

Preverili smo, ali je naš dobiček podoben predvideni dobiček. Iz grafa smo našli Gain = 10^(60/20) = 1000, kar je dovolj blizu našemu predvidenemu dobičku 1008.

Korak: Ustvarite zarezni filter

Potrebovali boste: LTSpice (ali drugo programsko opremo za vizualizacijo vezja)

Zarezni filter je posebna vrsta nizkoprepustnega filtra, ki mu sledi visokoprepustni filter za odpravo določene frekvence. Zarezni filter se uporablja za odpravo hrupa vseh elektronskih naprav, ki je prisoten pri 60Hz.

Izračunane so bile pasivne vrednosti: C =.1 uF (izbrana vrednost) 2C =.2 uF (uporabljen.22 uF kondenzator)

Uporabljen bo faktor AQ 8: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm je bil uporabljen) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3,14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm je bilo uporabljeno) Razdelitev napetosti: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (uporabljen je bil 1,8 kOhm)

Ta zasnova filtra ima dobiček 1, kar pomeni, da ni ojačevalnih lastnosti.

Priključitev pasivnih vrednosti in simulacija na LTSpice z izmeničnim tokom (AC Sweep) in vhodnim signalom sinusnega vala 0,1 V s frekvenco izmeničnega toka 1 kHz povzroči priloženo risbo bode.

Pri frekvenci okoli 60 Hz signal doseže najnižjo napetost. Filter uspešno odstrani šum 60 Hz do neopazne napetosti 0,01 V in zagotovi dobiček 1, saj je vhodna napetost 0,1 V.

3. korak: Ustvarite nizkoprepustni filter

Potrebovali boste: LTSpice (ali drugo programsko opremo za vizualizacijo vezja)

Ustvarjen je bil nizkoprepustni filter za odstranjevanje signalov nad pragom zanimanja, ki bi vseboval signal EKG. Interesni prag je bil med 0 - 350Hz.

Vrednost kondenzatorja je bila izbrana za 0,1 uF. Potrebna upornost se izračuna za visoko mejno frekvenco 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (uporabljeno je bilo 4,7 kOhm)

Priključitev pasivnih vrednosti in simulacija na LTSpice z izmeničnim tokom (AC Sweep) in vhodnim signalom sinusnega vala 0,1 V s frekvenco izmeničnega toka 1 kHz povzroči priloženo risbo bode.

4. korak: Ustvarite vezje na ploščici

Potrebovali boste: upori različnih vrednosti, kondenzatorji različnih vrednosti, operacijski ojačevalniki UA 471, mostični kabli, načrt, priključni kabli, napajalnik ali 9 V baterija

Zdaj, ko ste simulirali svoje vezje, je čas, da ga sestavite na podlagi. Če nimate natančno navedenih vrednosti, uporabite tiste, ki jih imate, ali združite upore in kondenzatorje, da določite potrebne vrednosti. Ne pozabite napajati svoje plošče za kruh z 9 -voltno baterijo ali enosmernim napajanjem. Vsak ojačevalnik potrebuje pozitiven in negativen vir napetosti.

5. korak: Namestite okolje LabView

Potrebovali boste: programsko opremo LabView, računalnik

Za avtomatizacijo prikaza valovne oblike in izračun srčnega utripa smo uporabili LabView. LabView je program za vizualizacijo in analizo podatkov. Izhod EKG vezja je vhod za LabView. Podatki se vnesejo, preslikajo in analizirajo na podlagi spodaj zasnovanega blok diagrama.

Najprej DAQ Assistant sprejme analogni signal iz vezja. Navodila za vzorčenje so nastavljena tukaj. Hitrost vzorčenja je bila 1k vzorcev na sekundo, interval pa 3k ms, zato je časovni interval, viden na grafu valov, 3 sekunde. Graf valovne oblike je prejel podatke od pomočnika DAQ, nato pa jih prikaže v oknu sprednje plošče. Spodnji del blokovnega diagrama zajema izračun srčnega utripa. Najprej se izmeri največji in najmanjši val. Nato se te meritve amplitude uporabijo za ugotavljanje, ali se pojavljajo vrhovi, ki so opredeljeni kot 95% največje amplitude, in če je tako, se zabeleži časovna točka. Ko se vrhovi zaznajo, se amplituda in čas shranita v matrike. Nato se število vrhov/ sekund pretvori v minute in prikaže na sprednji plošči. Sprednja plošča prikazuje valovno obliko in utripe na minuto.

Vezje je bilo povezano z LabVIEW prek ADC National Instruments, kot je prikazano na zgornji sliki. Funkcijski generator je proizvedel simuliran signal EKG -ja in vstopil v ADC, ki je podatke prenesel v LabView za grafikoniranje in analizo. Poleg tega, ko je bil BPM izračunan v LabVIEW -u, je bil numerični indikator natisnjen na sprednjo ploščo aplikacije vzdolž grafa valovne oblike, kot je prikazano na sliki 2.

6. korak: Preizkusite vezje z uporabo generatorja funkcij

Potrebovali boste: vezje na plošči, priključne kable, napajalnik ali 9 V baterijo, National Instruments ADC, programsko opremo LabView, računalnik

Za preizkus instrumentacije LabView je bil v vezje vnesen simuliran EKG, izhod vezja pa je bil povezan z LabView prek ADC National Instruments. Najprej je bil v vezje vnesen signal 20mVpp pri 1Hz za simulacijo srčnega utripa v mirovanju. Sprednja plošča LabView je prikazana na spodnji sliki. Vidni so kompleksi P, T, U in QRS. BMP je pravilno izračunan in prikazan v numeričnem indikatorju. V vezju je ojačanje približno 8 V/0,02 V = 400, kar je podobno tistemu, kar smo videli, ko je bilo vezje pritrjeno na osciloskop. Priložena je slika rezultata v LabView. Nato je za simulacijo povečanega srčnega utripa, na primer med vadbo, v vezje vhoden signal 20mVpp pri 2Hz. Pri srčnem utripu v mirovanju je prišlo do primerljivega povečanja. Spodaj je vidno, da imajo vsi enaki deli kot prej le hitreje. Srčni utrip se izračuna in prikaže v numeričnem indikatorju in vidimo pričakovanih 120 BPM.

7. korak: Preskusno vezje z uporabo človeškega subjekta

Potrebovali boste: vezje na plošči, priključne kable, napajalnik ali 9 V baterijo, ADC National Instruments, programsko opremo LabView, računalnik, elektrode (vsaj tri), človeški predmet

Nazadnje je bilo vezje testirano z vhodi EKG -vodnikov človeka, ki so vstopili v vezje, in izhod vezja v LabView. Tri elektrode so bile nameščene na subjekt, da so dobili pravi signal. Elektrode so bile nameščene na zapestja in desni gleženj. Desni zapestje je bil pozitiven vnos, levo zapestje je bilo negativno, gleženj pa je bil brušen. Ponovno so bili podatki vneseni v LabView za obdelavo. Konfiguracija elektrode je priložena kot slika.

Najprej je bil prikazan in analiziran EKG signal subjekta v mirovanju. V mirovanju je imel subjekt srčni utrip približno 75 utripov na minuto. Preiskovanec se je nato 5 minut ukvarjal z intenzivno telesno aktivnostjo. Motiv je bil ponovno priključen in posnet je bil dvignjen signal. Srčni utrip je bil po aktivnosti približno 137 utripov na minuto. Ta signal je bil manjši in je imel več hrupa. Elektrode so bile nameščene na zapestja in desni gleženj. Desni zapestje je bil pozitiven vnos, levo zapestje je bilo negativno, gleženj pa je bil brušen. Ponovno so bili podatki vneseni v LabView za obdelavo.

Povprečna oseba ima EKG signal približno 1 mV. Naš pričakovani dobiček je bil približno 1000, zato bi pričakovali izhodno napetost 1V. Iz posnetka v mirovanju, prikazanega na sliki XX, je amplituda kompleksa QRS približno (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. To povzroči 10% napako. (1-0,9)/1*100 = 10% Srčni utrip v mirovanju standardnega človeka je 60, izmerjeno je bilo približno 75, kar povzroči | 60-75 |*100/60 = 25% napake. Povišan srčni utrip pri standardnem človeku je 120, izmerjeno je bilo približno 137, kar povzroči | 120-137 |*100/120 = 15% napake.

Čestitke! Zdaj ste zgradili lasten avtomatiziran EKG.